Development and research of technology for automation of the calibration and account of digital SEM images geometric distortion obtained with JCM-5000 (NeoScope) (JEOL, Japan)

Abstract

Purpose. Solids microsurface digital images obtained with scanning electron microscopes (SEM) are characterized by significant geometric distortions, which must be defined and taken into account when determining the quantitative parameters of microsurface solids with high accuracy. Therefore, this problem is so important and urgent, especially during the high-tech quality control of production processes using nanotechnology, particularly in mechanical engineering, aircraft construction, and for creating space and military equipment. It is also important to perform SEM images measurements and obtain quantitative parameters of the studied microsurface in automatic mode that would allow processing of the data much faster without operator intervention. Therefore, the aim of this work was to develop and research the effective technology for automated calibration and account for the SEM images geometric distortion as well as the creation of a software package that would implement it. Methods. Digital SEM images processing and their transformations were used to automate the measurement. Results. The developed automation technology for digital SEM images measurement was tested and studied in the treatment of SEM images of the reference test object with a resolution of r = 1425 lines/mm, obtained with SEM using the JCM-5000 (NeoScope) in the range of magnifications from 1,000x to 15,000x. Accuracy and quantified characteristics of SEM images, in particular, their scales along the axes of the image, as well as their geometric distortion, are comparable to measurements made by hand. Automation of this process eliminates monotonous work, especially in the processing of SEM images in a range of relatively small increases in M=1000h-5000h, significantly reducinge the measurement time, and avoiding human errors that can occur. Scientific novelty. The developed technology for automation of the measurement of digital SEM images and to determine their geometric parameters is executed for the first time in Ukraine. The proposed technological measurement automation scheme of SEM images, and the creation of this authoring software show its efficiency and expediency. The practical significance. This technology allows you to automatically and accurately determine the true value of the SEM images increase (scale), the value of their geometric distortion. These values use determine with high accuracy of the quantitative spatial parameters of micro surface solids to increase the reliability end efficiency devices, mechanisms, and materials made from them. Мета. Цифровим зображенням мікроповерхонь твердих тіл, отриманим на растрових електронних мікроскопах (РЕМ), притаманні суттєві геометричні спотворення, які необхідно встановити і врахувати під час визначення кількісних параметрів мікроповерхонь твердих тіл з високою точністю. Тому це завдання с важливим і актуальним, особливо під час контролю якості процесів високотехнологічного виробництва з застосуванням нанотехнологій, зокрема, у машинобудуванні, літакобудуванні, під час створення космічної та військової техніки. Важливо також виконувати вимірювання РЕМ-зображень і отримувати кількісні параметри мікроповерхонь у автоматизованому режимі, що дало змогу б їх виконати значно швидше і уникнути похибок оператора. Тому метою цієї роботи є розроблення та дослідження ефективності технології автоматизованого калібрування геометричних спотворень РЕМ-зображень і їх врахування, а також створення пакета програм, які б її реалізували. Методика полягає у застосуванні для автоматизації вимірювань методів цифрового опрацювання РЕМ-зображень і різноманітних їхніх перетворень. Результати. Розроблену техно¬логію автоматизації вимірів цифрових РЕМ-зображень апробовано і досліджено під час опрацювань РЕМ-зображень еталонного тест-об’єкта з роздільною здатністю г = 1425 лін/мм, отриманих на РЕМ JСМ-5000 (№о8соре) в діапазоні збільшень від М = 1000х до М = 15000х крат. Точність вимірів і встановлених кількісних характеристик РЕМ-зображень, зокрема їхніх масштабів уздовж осей знімка, а також геометричних спотворень, співмірні з вимірами, виконаними вручну. Автоматизація цього процесу дає змогу замінити рутинну працю вимірювань цифрових РЕМ-зображень, особливо під час опрацювання РЕМ- зображень у діапазоні порівняно невеликих збільшень М = 1000'-5000\ суттєво зменшити час вимірювань, а також уникнути суб’єктивних помилок, які при цьому виникають. Наукова новизна. Розроблена технологія автоматизації вимірів цифрових РЕМ-зображень і визначення їх геометричних параметрів виконана вперше в Україні. Запропонована технологічна схема автоматизації вимірювань цифрових РЕМ-зображень та створене для цього авторське програмне забезпечення показали його ефективність і доцільність. Практична значущість. Застосування цієї технології дає змогу автоматично і з високою точністю визначати дійсні значення збільшень (масштабів) цифрових РЕМ-зображень, величини їхніх геометричних спотворень, а також враховувати їх під час отримання кількісних просторових параметрів мікроповерхонь твердих тіл з високою точністю, а отже, підвищувати надійність і ефективність виготовлених з них пристроїв, механізмів, матеріалів, тощо.